Ένας νέος καταλύτης για τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο έχει αναπτυχθεί

Η διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο για την παραγωγή καθαρής ενέργειας μπορεί να απλουστευθεί με ένα μοναδικό καταλύτη ο οποίος αναπτύχθηκε από ερευνητές του πανεπιστημίου Rice και Houston.

Η ηλεκτρολυτική μεμβράνη που αναπτύχθηκε είναι μια δομή τριών επιπέδων από νικέλιο, γραφένιο και μια ένωση σιδήρου, μαγγανίου και φωσφόρου. Το αφρώδες νικέλιο δίνει στην μεμβράνη μεγάλη επιφάνεια, το αγώγιμο γραφένιο προστατεύει το νικέλιο από την αποδόμηση και το μεταλλικό φωσφίδιο εκτελεί την αντίδραση.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν τον καταλύτη για να ξεπεράσουν εμπόδια που συνήθως καθιστούν τους καταλύτες καλούς για την παραγωγή είτε οξυγόνου είτε υδρογόνου, αλλά όχι και των δύο ταυτόχρονα.

“Τα κανονικά μέταλλα μερικές φορές οξειδώνονται κατά τη διάρκεια της κατάλυσης”, αναφέρουν οι ερευνητές στη μελέτη τους η οποία δημοσιεύθηκε στην επιστημονική επιθεώρηση Nano Energy.

Η ανακάλυψη βασίζεται στη δημιουργία από τους ερευνητές ενός απλού καταλύτη οξυγόνου ο οποίος περιγράφηκε σε μια μελέτη νωρίτερα αυτό το έτος. Στη μελέτη αυτή η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα καταλύτη απευθείας πάνω σε μια ημιαγωγική συστοιχία νανοράβδων, η οποία χρησιμοποιούσε την ηλιακή ενέργεια για τον διαχωρισμό του νερού.

Η ηλεκτροκατάλυση απαιτεί δύο καταλύτες, μία κάθοδο και μία άνοδο. Όταν τοποθετηθεί σε νερό και φορτιστεί, το υδρογόνο θα σχηματιστεί σε ένα ηλεκτρόδιο και το οξυγόνο στο άλλο και αυτά τα αέρια θα συλλεγούν. Αλλά η διαδικασία απαιτεί γενικά δαπανηρά μέταλλα να λειτουργούν τόσο αποτελεσματικά όσο ο καταλύτης της ερευνητικής ομάδας του Rice και Houston.

“Το πρότυπο για την έκλυση υδρογόνου είναι η πλατίνα”, αναφέρουν επίσης οι ερευνητές στη μελέτη τους.”Στο νέο μας καταλύτη χρησιμοποιούμε υλικά που είναι άφθονα στη Γη (σίδηρο, μαγγάνιο, φώσφορο), σε αντίθεση με τα ευγενή μέταλλα που είναι πολύ πιο ακριβά”.

“Ο νέος καταλύτης απαιτεί επίσης λιγότερη ενέργεια. Αν θέλετε να φτιάξετε υδρογόνο και οξυγόνο, θα πρέπει να βάζετε ενέργεια και όσο περισσότερη βάζετε, τόσο λιγότερο εμπορικά βιώσιμη είναι η διαδικασία”.

“Θα θέλετε να κάνετε την διαδικασία με την λιγότερη εφικτή ποσότητα ενέργειας. Αυτό είναι το πλεονέκτημα του υλικού μας: η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την πρόκληση της ηλεκτροκατάλυσης είναι μικρή και αρκετά ανταγωνιστική με άλλα υλικά”.

Το γραφένιο είναι το κλειδί για την προστασία του νικέλιου. Από τον αφρό του νικελίου σχηματίζονται ένα έως τρία στρώματα γραφένιου σε έναν κλίβανο χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) και ο σίδηρος, το μαγγάνιο και ο φώσφορος προστίθενται πάνω από αυτό, επίσης μέσω CVD.

Οι δοκιμές από το εργαστήριο συνέκριναν τον αφρό νικελίου και το φωσφίδιο με και χωρίς γραφένιο στη μέση και βρήκαν ότι το αγώγιμο γραφένιο μείωσε την αντίσταση μεταφοράς φορτίου τόσο για αντιδράσεις υδρογόνου όσο και οξυγόνου.

“Το νικέλιο είναι ένας από τους καλύτερους καταλύτες για την παρασκευή του γραφένιου. Βασικά, χρησιμοποιούμε το νικέλιο για να βελτιώσουμε το νικέλιο”.

“Το υλικό είναι κλιμακωτό και πρέπει να βρει χρήση σε βιομηχανίες που παράγουν υδρογόνο και οξυγόνο ή σε εγκαταστάσεις με ηλιακή και αιολική ενέργεια που μπορούν να χρησιμοποιήσουν ηλεκτροκατάλυση για την αποθήκευση ενέργειας εκτός αιχμής”.

“Η μέθοδος μας θα μπορούσε να εφαρμοστεί ευρέως σε μεγάλο αριθμό μεταλλικών φωσφιδικών υλικών για καταλύτες – όχι μόνο για το διαχωρισμό του νερού, αλλά για μια σειρά από άλλα πράγματα”.

“Ένας κρίσιμος παράγοντας είναι ότι είμαστε σε θέση να φτιάχνουμε αδρανή υλικά με διαφορετικές συνθέσεις. Σήμερα, οι άνθρωποι έχουν πολύ λίγο έλεγχο στην αντίδραση που παίρνουν σε μια επιφάνεια και σε πολλές περιπτώσεις παίρνουν ένα μείγμα. Δεν γνωρίζουμε ποια αντίδραση είναι πραγματικά υπεύθυνη για την κατάλυση. Με τη διαδικασία μας, μπορούν τώρα να γνωρίζουν”.

Παραπομπές

Zhenhuan Zhao et al. Bifunctional metal phosphide FeMnP films from single source metal organic chemical vapor deposition for efficient overall water splitting. Nano Energy (2017). DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.07.027

ΑΝΔΡΕΑΣ ΓΡΗΓΟΡΙΟΥ

Παιδί της επιστήμης και της τεχνολογίας, παρέα με ένα γάτο κοιτάζει το σύμπαν και θέτει ερωτήσεις

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *